中国大陆科学钻探(CCSD)HP-UHP变质岩中磷灰石和绿帘石的矿物学及地球化学

摘要

中国大陆科学深钻工程(CCSD—ChineseContinentalScientificDrillingProject)在江苏东海县县城西南17km的毛北村，以5158m的深度终孔。中国大陆科学钻探工程不仅对深入探讨板块汇聚边界三维物质组成与结构、水—岩作用与流体地球化学、壳—幔相互作用与大陆动力学等基础地学问题有重要理论意义，在钻探等工程技术领域达到国际先进水平，同时对提高我国超深井钻探工艺、寻找深部矿产、探寻全球变化等人类目前面临的重大问题具有很强的现实意义。建立“超高压变质岩石形成的与折返机制”的模式及研究“超高压变质作用过程中流体和岩石相互作用”是CCSD的主要目标。 CCSD中的高压超高压(HP—UHP)变质岩主要由各类榴辉岩、正片麻岩、副片麻岩、角闪岩，以及少量的石英岩和片岩组成。在钻孔岩心榴辉岩、角闪岩和片麻岩中还普遍出现呈透镜状、团块状、囊状和条带状产出的石英脉长英质脉。这些长英脉的成因是什么？另外，本地区晚三叠纪发生的扬子板块与华北板块的对接碰撞引发的巨量陆壳物质在折返过程是否经历了熔融作用长期以来一直是争议的问题，也是许多学者关心的重要问题之一。 磷灰石和绿帘石等矿物是中国大陆科学钻探(CCSD)主孔岩心及苏鲁—大别超高压变质岩中常见的副矿物，不仅是超高压变质过程中的重要见证者，同时也是超高压变质岩中一些重要的微量元素如稀土元素(REE)及Sr、U、Th等大离子亲石元素(LILE)重要载体，对它们的研究，可以为超高压变质岩的矿物学、元素的迁移和对壳幔物质循环作用提供重要的信息。本文主要系统采集了CCSD地表和钻孔中的榴辉岩、片麻岩等各种变质岩类的样品，对其中的副矿物磷灰石、绿帘石矿物学、微量元素地球化学、流体地球化学及矿物定年等方面进行了研究。在上述工作的基础上探讨了磷灰石和绿帘石的地球化学作用，并进一步探讨了石英脉的成因和陆壳物质折返过程是否经历了熔融作用。 本文取得了如下主要的成果和认识： 1.CCSD榴辉岩磷灰石脉体中存在四类出溶物：不规则状的磁铁矿和赤铁矿的连生体、针状赤铁矿、板状到菱型的独居石、针状锶重晶石。除独居石外，其余均未见报道；CCSDUHP岩石中氟磷灰石脉体的存在及其铁氧化物、磷酸盐和硫酸盐出溶体的发现，显示UHP岩石在折返的过程中，快速减压曾造成矿物的分解和大量出溶体的形成，SiO2等硅酸盐熔体的出溶，还存在少量的磷酸盐熔体，同时可能曾经有铁氧化物的熔浆的加入。磷灰石中铁氧化物等出溶物的出溶是在氧逸度较高的环境下进行的。 2.对CCSD岩心和地表HP—UHP变质岩中的磷灰石分别进行了LA—ICPMS分析，结果表明，副矿物磷灰石是CCSDUHP岩石中LREE的重要储库之一。CCSDHP—UHP变质岩中的磷灰石可分为三种类型：Ⅰ.轻稀土(LREE)富集型；Ⅱ.中稀土(MREE)富集型；Ⅲ.重稀土(HREE)富集型，其中尤其以中稀土(MREE)富集型最为常见。第Ⅲ类磷灰石其配分曲线呈明显的左倾形式，∑REE总量很低，仅为9.228×10-6，且具有明显的Eu负异常。相对于新鲜榴辉岩，退变质榴辉岩中磷灰石的∑LREE明显降低。CCSD磷灰石颗粒从边部到中心，∑LREE和Sr有逐渐升高的趋势，显示在板块俯冲折返的过程可能发生过短时增温作用，并极有可能发生过部分熔融。 3.磷灰石有比较大的化学成分变化范围，但在微量元素球粒陨石标准化蛛网图中仅Sr异常一致性不好，其他元素具有相似的变化趋势。大部分磷灰石具有MREE富集的稀土元素分布特征和高场强元素Nb、Ta、Ti和Zr亏损的非活动性元素分布特征，以及活动性元素Rb、Ba的缺失，明显和扬子陆壳俯冲过程变质作用有关。 4.对CCSD岩心地表HP—UHP变质岩中的磷灰石分别进行了Sr—Nd同位素分析。结果表明，εNd(200)和87Sr/86Sr有良好的负相关关系，根据磷灰石的Sr、Nd同位素组成特征，显示本区岩石大部分可能属于扬子陆壳俯冲变质成因，物质来源较深，成矿流体主要来自下地壳，但不排除有幔源物质加入，但成矿物质并非直接来自上地幔，可能和板块俯冲过程中岩石在下地壳的部分熔融有关。磷灰石脉及其磷灰石颗粒构成的εNd(200)—εSr(0)之间呈负相关性变化，可能是组成不均匀的上地幔发生熔融，和幔源岩浆受到地壳物质不同程度的混染，造成岩浆中的Sr、Nd同位素发生相关变化。 5.运用CHIME的方法获得CCSDUHP岩石石英脉磷灰石集合体中独居石出溶物的Th—Pb等时线年龄为202±28.3Ma，前人选择了与石英脉共生的微斜长石样品进行Ar—Ar定年，得到的等时线年龄为182±15.63Ma，推测石英脉的年龄大约为180～202Ma，显示它们主要形成于UHP岩石在折返过程中由石英榴辉岩相到角闪岩相退变质的过程；所以CCSDUHP岩石中广泛出现的石英脉与其中的磷灰石团块可能基本同时形成于晚三叠世，UHP岩石在折返过程中释放出较多SiO2熔体的同时，还局部释放出少量磷酸盐熔体。 6.岩相学和主、微量元素研究表明：绿帘石有多种成因，在俯冲进变质和折返退变质过程中都有绿帘石形成，每个阶段又可以划分出多个形成世代。XFe在绿帘石斑晶的核部到边部由大到小是进变质作用的标志，退变质过程形成的绿帘石则相反。绿帘石中微量元素的组成特征显示绿帘石是REE、Sr等大离子元素循环至地壳深部和地幔的合适的载体矿物，并且显示CCSD和青龙山UHP变质地体在板块俯冲过程中生了部分熔融；绿帘石中流体包裹体的研究，说明超高压变质作用及后期的折返过程中并不存在大规模的流体作用，流体的活动限于矿物晶体颗粒范围。 7.磷灰石和绿帘石的微量元素地球化学研究表明，大量的陆壳物质在折返的过程中发生了熔融作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1论文选题的科学意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要完成的工作

第二章(CCSD)区域地质概况

2.1苏鲁造山带超高压变质带的特征

2.2中国大陆科学钻探(CCSD)简介

2.3苏鲁超高压变质带的变质岩主要岩石类型

第三章CCSD中磷灰石矿物学及微量元素地球化学

3.1引言

3.2磷灰石岩相学及成分特征

3.2.1测试方法和结果

3.3磷灰石中的出溶物

3.3.1样品与测试方法

3.3.2测试结果和讨论

3.4磷灰石微量和稀土元素地球化学

3.4.1样品与测试方法

3.4.2结果与讨论

3.5小结

第四章CCSD磷灰石Sr-Nd同位素地球化学

4.1引言

4.2样品和测试方法

4.2.1样品及其镜下特征

4.2.2测试方法

4.3讨论

4.3.2 Sr同位素组成

4.3.3 Nd同位素组成

4.4小结

第五章磷灰石地质年代学

5.1引言

5.2磷灰石中独居石的U-Th-Pb定年

5.2.1理论基础

5.2.2样品与测试方法

5.3测试结果和讨论

5.4小结

第六章CCSD及附近HP-UHP变质岩中绿帘石矿物学和地球化学

6.1引言

6.2绿帘石岩相学及成分特征

6.3绿帘石微量元素地球化学

6.4绿帘石流体地球化学

6.5小结

第七章结论

参考文献

图版说明

致谢

附录：在学期间发表和完成的学术论文